La caldaia a condensazione ; caratteristiche, funzionamento e analisi dei fumi della combustione

1. UNIVERSITÀ DEGLI SUDI DI CAMERINO Dipartimento di Scienze e Tecnologie Percorsi Abilitanti Speciali PAS Classe di concorso C320 Macchine a fluido La caldaia a condensazione; caratteristiche,funzionamento e analisi dei fumi della combustione Relatore: Ch.mo Prof. Nazareno Agostini Correlatore: Tutor Prof. David Vitali Corsista: Giulio Pedinotti Matr. 091972 Anno Accademico: 2013/2014

2. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Percorso didattico: La caldaia a condensazione • Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare • Le finalità educative • Gli obiettivi in termini di competenza e abilità • I prerequisiti • I nodi concettuali affrontati (contenuti) • Gli eventuali collegamenti interdisciplinari • Gli strumenti ed i materiali utilizzati • La scansione temporale • Le scelte metodologiche • La verifica sulle competenze acquisite • Gli indicatori per la valutazione • L’eventuale recupero e/o approfondimenti

3. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Contesto scolastico e contestualizzazione curriculare • Scuola: Istituto Professionale per l’Artigianato «G. Benelli» – Pesaro (PU) • Indirizzo: Meccanica, Meccatronica ed Energia • Ambito disciplinare: Macchine a fluido e laboratorio • Studenti: Triennio «Operatore di Impianti Termoidraulici» • biennio anno III Finalità educative Acquisizione competenze professionalizzanti per l'inserimento nel mondo del lavoro

4. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Obiettivi: Conoscenze • Proprietà chimico-fisiche dei combustibili. • Proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali da costruzione e loro classificazione. • Criteri di utilizzo i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto e alla sostenibilità ambientale. • Principi, rendimenti, risparmio energetico e riduzione delle emissioni inquinanti. • Effettuare la posa in opera degli impianti di riscaldamento ed il loro collaudo finale. • Effettuare manutenzione di tipo ordinaria. • Normativa tecniche degli impianti UNI 10389-2 (Misurazione in opera dei generatori di calore).

5. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Obiettivi: Abilità • Riconoscere e comparare le caratteristiche chimiche, fisichedei combustibili • Scegliere i generatori di calore in rapporto alle destinazioni d’uso, all’impatto ed alla sostenibilità ambientale, prevedendo il loro comportamento nelle diverse condizioni di impiego • Collaborare nell’esecuzione di impianti di riscaldamento nel rispetto delle norme tecniche. • Definire e distinguere generatori di calore tradizionali o a condensazione • Riconoscere le tipologie di caldaie a condensazione più opportune per realizzare impianti di riscaldamento differenti. • Definire i bruciatori valutandone il comportamento nei confronti del passaggio del calore

6. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Prerequisiti: Competenze • Individuare le strategie appropriate per la soluzione di problemi • Osservare, descrivere ed analizzare fenomeni appartenenti alla realtà naturale e artificiale e riconoscere nelle varie forme i concetti di sistema e di complessità • Essere consapevole delle potenzialità e dei limiti delle tecnologie nel contesto culturale e sociale in cui vengono applicate Verifica prerequisiti I prerequisiti sono stati oggetto di verifiche d’ingresso, in quanto svolti prima di questo percorso didattico. Ove necessario attraverso un ripasso si sottolineeranno i concetti fondamentali.

7. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti

8. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione RIDUZIONE DELLE EMISSIONI INQUINANTI Nodi concettuali affrontati: Contenuti • BENESSERE AMBIENTALE PER L’UTENTE • RISPARMIO ENERGETICO

9. La caldaie a condensazione Termoregolazione e sicurezze bruciatore mandata gas scambiatore ritorno Scarico fumi Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Potenza termica utile/Potenza termica focolare

10. IL PRINCIPIO La caldaia a condensazione, può recuperare gran parte del calore latente dei fumi espulsi con il camino. La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i fumi fino a farli tornare allo stato di liquido saturo , con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l'acqua di ritorno. In questo modo la temperatura dei fumi di uscita (che si abbassa a circa 40 °C) è prossima alla temperatura di mandata dell'acqua. È possibile lavorare con tali temperature dei fumi, quindi condensare, in quanto le caldaie a condensazione utilizzano scambiatori di calore realizzati con metalli resistenti all'acidità delle condense.

11. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti CALORE LATENTE E POTERE CALORIFICO COMBUSTIBILE Il calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia necessaria allo svolgimento di una transizione di fase (o passaggio di stato). Ad esempio, il "calore latente di condensazione" è l'energia massica corrispondente al passaggio di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato di vapor d’acqua a quello liquido. L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg ------------------------------- Si definisce potere calorifico di un combustibile l’energia termica sviluppata durante la combustione di 1 Kg di combustibile. Parte di questa energia viene utilizzata per l’evaporazione dell’acqua, se questa viene considerata persa nei fumi si ha il potere calorifico inferiore(è quello che si usa), se si pensa di recuperare l’energia di evaporizzazione dell’acqua si ottiene il potere calorifico superiore. Si misura in MJ/kg nel Sistema Internazionale o in KcaL/kg.

12. SI DISTINGUE TRA: Potere calorifico superiore (ΔcHso, meno correttamente indicato come PCS ). E’ la quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente. Potere calorifico inferiore (ΔcHio, meno correttamente indicato come PCI). Il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione".

13. LE CALDAIE A CONDENSAZIONE La caldaia a condensazione è una caldaia apparentemente in grado di ottenere un rendimento termodinamico superiore al 90% (potere calorifico inferiore) del combustibile utilizzato grazie al recupero del calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione. Vi è inoltre una conseguente riduzione delle emissioni di NOx e CO. Le normali caldaie utilizzano solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione (140~160 °C ) perché occorre evitare la condensazione dei fumi, che dà origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione (circa 1,6 kg/m³ di gas) viene quindi disperso in atmosfera attraverso il camino: la quantità di calore in esso contenuta, definito calore latente, rappresenta l'11% dell'energia liberata dalla combustione, in tali caldaie non è recuperata.

14. Pcs in JouleGasolio 44000, Benzina 42700, Metano 50000, Idrogeno 120000

15. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti RENDIMENTI MINIMO SECONDO LA DIRETTIVA EUROPEA 92/42 CE

16. Valori riferiti al p.c.i. Valori riferiti al p.c.i. Calore latente non sfruttato qC 100% 110,0% 11% 1,0% K = 93% K = 108% K = 15% Rendimento teorico Caldaie a bassa temperatura Caldaie a condensazione 111% 111% 94% 109,0% 6% PerditelatofumiqF 1% 93% 108% Dispersioni dell‘involucro qD 1% 1%

17. 100 80 Sistema 75/ 60 °C 60 Temperature impianto [°C] Punto di rugiada 40 20 Sistema 60/50 °C con adeguamento della portata 0 -15 20 -10 -5 0 5 10 [°C] Temperatura esterna CURVE CARATTERISTICHE ED EFFETTO DELLA MODULAZIONE DELLA POMPA SUL RENDIMENTO La caldaia a condensazione con pompa modulante si abbina anche agli impianti vecchi con radiatori! Esercizio senzacondensazione Sistema60/ 50 ° C Sistema 40/ 30° C

18. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti

19. Struttura e funzioni Raccordoconcentrico per sistemaaspirazionearia e scaricofumi (80/125) contronchetti per testfumi Vaso d‘espansione MAG (accessorio) Condottoaspirazionearia Scambiatore di calore in Alluminio-Silicio Ventilatoreconcondotto di premiscelazione Valvolaregolazione gas Raccordo per circuito eventuale miscelato(access.) Valvola di ritegno Pompacirc. riscaldamentomodulante Pompacaricobollitore (accessorio) Animazionecaldaia

20. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Nodi concettuali affrontati: Contenuti

21. Come si calcola il consumo di combustibile? Rendimento = energia resa all’impianto/ energia utilizzata Potenza termica utile [kW] Volume di combustibile [m3/h] pt V = X3600 η x pci Rendimento di combustione Potere calorifico inferiore [kJ/m3] Foglio di calcolo CO2 risparmiata

22. ESERCITAZIONE PER CASA • Eseguire il rilievo degli ambienti della propria abitazione con un programma di CAD. (recuperare se possibile una fotocopia della piantina catastale). • Eseguire il rilievo di tutti i corpi scaldanti presenti. • Eseguire il rilievo di tutte le tubazioni di adduzioni esistenti. (caldaia-collettore ; collettore- radiatori). • Recuperare la scheda tecnica della propria caldaia e calcolare il consumo di combustibile a monte e a valle dell’installazione di una caldaia a condensazione (Es. scheda tecnica caldaia a condensazione). • Valutare la fattibilità dell’intervento alla luce delle vigenti leggi di incentivazione per il risparmio energetico 65% Irpef (Legge 296/2006 e ss.mm.i).

23. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Collegamenti interdisciplinari • TTIM - Tecnologie e tecniche di installazione e manutenzione di Apparati e Impianti Civili e Industriali • TMA - Tecnologie Meccaniche ed Applicazioni • TEEA - Tecnologie elettriche ed elettroniche ed Applicazioni • LTE - Laboratorio tecnologico ed Esercitazioni • MATEMATICA • INGLESE Strumenti e materiali utilizzati • Macchine a fluido, Volume Unico – G. Cornetti – Edizioni Il Capitello - Torino • LIM del docente • Schede tecniche aziende produttrici • Campione didattico generatore di calore a condensazione

24. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Spazi utilizzati • Aula di laboratorio impianti termoidraulici con LIM • Aula informatica: excell • Visita guidata produttore caldaie Radiant Spa – Montelabbate di Pesaro (PU) • Visita guidata Centrale termica scuola professionale «G. Benelli» Pesarodirestauro o nuova costruzione Le scelte metodologiche • Lezione Frontale con LIM (caratteri maiuscoli per DSA) • Lezione in laboratorio e analisi strumentale fumi della combustione. • Redazione di Relazione sulla prova di Laboratorio in piccoli gruppi (utilizzo di campioni di materiali, immagini e filmati per la visualizzazione diretta e sensoriale di quanto trattato) • Ricerca online schede tecniche – in gruppo

25. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione La verifica sulle competenze acquisite • Verifiche scritte costituite da prove oggettive articolate in quesiti a risposta multipla, quesiti di completamento e collegamento, corrispondenze. Criteri di valutazione : • Interrogazione orale per consolidare il • linguaggio tecnico ed in preparazione • alla verifica scritta • Relazione prova laboratorio

26. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Gli indicatori per la valutazione: verifica scritta

27. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Gli indicatori per la valutazione: relazione prova laboratorio

28. Giulio Pedinotti– La caldaia a condensazione Eventuale recuperi e/o approfondimenti • Alunni con valutazione insufficiente: recuperi • Alunni con valutazione sufficiente: consolidamento • Alunni con valutazione buona: approfondimento

29. GRAZIE PER L’ATTENZIONE